新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

劉愛民，李 博，于 浩，袁 野

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新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

劉愛民，李 博，于 浩，袁 野

（沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽 110870）

為了簡化電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)并提高其工作可靠性，本文以40.5kV真空斷路器為研究對(duì)象，依據(jù)其動(dòng)態(tài)機(jī)械特性設(shè)計(jì)一種新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)。對(duì)40.5kV真空斷路器進(jìn)行負(fù)載特性分析，并利用斷路器負(fù)載反力曲線對(duì)所提出新結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行了三維有限元分析。在此基礎(chǔ)上搭建了操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)，制作40.5kV真空斷路器樣機(jī)以及新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行聯(lián)機(jī)合閘試驗(yàn)操作。仿真與試驗(yàn)結(jié)果均滿足40.5kV高壓真空斷路器的合閘技術(shù)要求。驗(yàn)證了新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可行性。

無刷電勵(lì)磁電機(jī)；40.5kV真空斷路器；新結(jié)構(gòu)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)；三維有限元；控制系統(tǒng)；聯(lián)機(jī)試驗(yàn)

0 前言

高壓斷路器作為電力系統(tǒng)的重要開關(guān)設(shè)備，具備控制和保護(hù)雙重功能。其中操動(dòng)機(jī)構(gòu)作為斷路器的主要運(yùn)動(dòng)部件，直接影響斷路器工作的可靠性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)等[1-4]。由于傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件比較多，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以其工作的可靠性不高。電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種新型的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，相比較傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅機(jī)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，且運(yùn)動(dòng)速度可控，這大大提高了電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性[5-7]。

本文針對(duì)40.5kV真空斷路器，設(shè)計(jì)了一種新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)。完成了如下研究工作：對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)和負(fù)載特性分析，在此基礎(chǔ)上通過有限元對(duì)新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)本體模型進(jìn)行仿真分析，并對(duì)新結(jié)構(gòu)電機(jī)的中央電勵(lì)磁線圈通電時(shí)對(duì)合閘操作的影響作了仿真分析與敘述。依據(jù)40.5kV真空斷路器的特性搭建了操動(dòng)機(jī)構(gòu)硬件控制系統(tǒng)平臺(tái)，最后，對(duì)新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)和斷路器進(jìn)行聯(lián)機(jī)試驗(yàn)。

1 電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)簡述

1.1 電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)

本文以40.5kV高壓真空斷路器為研究對(duì)象，并根據(jù)斷路器的操動(dòng)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)新型無刷電勵(lì)磁直流電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)。高壓斷路器主要機(jī)械技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 40.5kV高壓真空斷路器的主要機(jī)械技術(shù)參數(shù)

40.5kV高壓真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示，斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三個(gè)部分組成。拐臂、拉桿等結(jié)構(gòu)由電機(jī)帶動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)斷路器動(dòng)觸頭上下運(yùn)動(dòng)，利用此種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可將斷路器動(dòng)觸頭的直線運(yùn)動(dòng)類比為電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成斷路器的分合閘操作。

圖1 40.5kV高斷壓路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理及分析

在電機(jī)操動(dòng)斷路器分合閘操作過程中，以合閘過程為例，合閘能量主要由電機(jī)提供，需要克服操動(dòng)機(jī)構(gòu)的重力、觸頭反力和彈簧反力。其合閘過程由動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)的開距階段和壓縮彈簧的超距兩個(gè)階段。在圖2中，O點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸，OA為拐臂，AC為拉桿，CBD為三角拐臂，電機(jī)旋轉(zhuǎn)由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)拐臂、拉桿運(yùn)動(dòng)，再通過拉桿帶動(dòng)三角拐臂轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使動(dòng)觸頭上下運(yùn)動(dòng)。

圖2 40.5kV高壓斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖

圖3為動(dòng)觸頭行程與電機(jī)轉(zhuǎn)角的關(guān)系，OA為開距階段，行程為25mm，A點(diǎn)為剛合點(diǎn)，AB為超距階段，此時(shí)動(dòng)觸頭碰到靜觸頭，所以位移不變，系統(tǒng)需要壓縮彈簧運(yùn)動(dòng)。在合閘過程結(jié)束時(shí)，彈簧會(huì)被壓縮一定距離，為觸頭提供預(yù)緊力，它可以作為分閘時(shí)的一部分能量。斷路器的分閘過程與此過程相反。

圖3 動(dòng)觸頭行程與電機(jī)轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線

1.3 電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)載特性研究

高壓真空斷路器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須滿足斷路器負(fù)載特性以符合分合閘的要求，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載特性主要為負(fù)載反力特性。負(fù)載反力包括系統(tǒng)重力、彈簧彈力、自閉力以及摩擦力，為了更好的研究負(fù)載特性，本文不計(jì)摩擦力的影響。40.5kV高壓真空斷路器動(dòng)觸頭行程為25mm，超距階段為10mm。觸頭彈簧初始?jí)毫?000N，超距階段結(jié)束觸頭彈簧壓力為3000N，觸頭自閉力為200N。

通過疊加原理對(duì)斷路器負(fù)載進(jìn)行等效歸算，可得到折算到電機(jī)主軸側(cè)斷路器的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線如圖4所示。在合閘過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)角在0°~36°時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，此時(shí)為開距階段，驅(qū)動(dòng)電機(jī)只需要克服觸頭自閉力和系統(tǒng)重力的作用。在電機(jī)轉(zhuǎn)角為36°時(shí)，此時(shí)進(jìn)入超距階段，動(dòng)靜觸頭接觸，彈簧彈力作用到電機(jī)主軸上，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大，最大值達(dá)到311N?m，這為驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

圖4 等效負(fù)載曲線

2 新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)仿真分析

2.1 新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)的優(yōu)勢(shì)

新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)作為電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心，直接影響操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要滿足機(jī)械響應(yīng)時(shí)間短、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等要求。新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)是一種9/6式雙凸極電機(jī)，采用雙套定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)主要由定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、機(jī)殼和繞組五部分組成，其中繞組又分為纏繞在定子上的勵(lì)磁繞組和固定于轉(zhuǎn)軸的中央電勵(lì)磁線圈。新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖

此外，電機(jī)運(yùn)行主要由勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，對(duì)中央電勵(lì)磁線圈通入不同電流時(shí)，會(huì)調(diào)節(jié)定子氣隙的磁通，從而影響電磁轉(zhuǎn)矩，增大電機(jī)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍，從而也擴(kuò)大電機(jī)的調(diào)速范圍。

2.2 新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)仿真分析

本文依據(jù)斷路器負(fù)載特性曲線，利用三維有限元仿真軟件ANSYS對(duì)斷路器分合閘操作進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析。圖6給出了電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分合閘操作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的角位移與電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的仿真曲線。可以看出合閘時(shí)間為28.8ms，分閘時(shí)間為27.2ms，電磁轉(zhuǎn)矩最大值為311N·m，電機(jī)轉(zhuǎn)角為63°。通過仿真分析可以得出，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩滿足40.5kV高壓真空斷路器負(fù)載曲線的要求，電機(jī)的設(shè)計(jì)滿足操動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)電機(jī)本體的要求。

在中央電勵(lì)磁線圈分別通不同電流時(shí)，其動(dòng)態(tài)特性對(duì)比如圖7所示。

圖7 中央電勵(lì)磁線圈通電的合閘特性

分別給中央電勵(lì)磁線圈通-6A，-3A，0A，3A，6A的電流，可以看出新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)在驅(qū)動(dòng)高壓斷路器合閘操作時(shí)最大轉(zhuǎn)矩分別為295.6N·m，300.5N·m，312.2N·m，326.7N·m，336.5N·m，完成一次合閘操作的時(shí)間分別為30.1ms，29.2ms，28.7ms，27.2ms，26.8ms，可以得出給中央電勵(lì)磁線圈通電起到增磁或者減磁的作用，中央電勵(lì)磁線圈通入正電流，轉(zhuǎn)矩峰值增大，合閘時(shí)間變短；中央電勵(lì)磁線圈通入負(fù)電流，轉(zhuǎn)矩峰值減小，合閘時(shí)間變長，驗(yàn)證了電機(jī)中央電勵(lì)磁線圈的調(diào)磁效果，擴(kuò)大電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍，提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。綜上所述，給中央電勵(lì)磁線圈通電可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及合閘速度。

3 新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本文以40.5kV高壓真空斷路器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理器DSP28335為核心，輔以電源模塊、整流模塊、功率變換器模塊、及信號(hào)采集模塊等共同組成。圖8所示為控制系統(tǒng)原理框圖。

圖8 控制系統(tǒng)原理框圖

整個(gè)控制系統(tǒng)原理如圖所示：三相交流電通過整流橋再經(jīng)過電容模塊進(jìn)行濾波、儲(chǔ)能后給電機(jī)三相繞組進(jìn)行供電；電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速以及三相電流通過信號(hào)采集模塊把信號(hào)傳輸給DSP處理器，DSP根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息輸出對(duì)應(yīng)相的PWM信號(hào)到驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)功率變換器各個(gè)開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)，完成電機(jī)對(duì)應(yīng)相的控制；DSP根據(jù)檢測到電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流信息，以及系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速對(duì)PWM脈沖信號(hào)的占空比作出調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制。

3.2 功率變換器模塊

功率變換器模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)非常重要的組成部分，電機(jī)換相需要依靠功率變換器模塊來實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)了三相半橋不對(duì)稱功率變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 三相半橋不對(duì)稱功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相半橋不對(duì)稱功率變換模塊對(duì)應(yīng)與樣機(jī)的勵(lì)磁;繞組相連，三個(gè)橋臂分別對(duì)應(yīng)電機(jī)的三相勵(lì)磁繞組，每個(gè)橋臂由兩個(gè)開關(guān)及兩個(gè)續(xù)流二極管組成。以一相繞組為例，若控制K1、K2導(dǎo)通，則VD1、VD2處于截止?fàn)顟B(tài)，則A相繞組通電，若A相關(guān)斷即K1、K2不導(dǎo)通，此時(shí)VD1、VD2處于續(xù)流狀態(tài)，起到了保護(hù)電路的作用。

3.3 信號(hào)采集模塊

4 聯(lián)機(jī)試驗(yàn)

以40.5kV高壓斷路器為試驗(yàn)對(duì)象搭建新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。包括新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)樣機(jī)本體、40.5kV高壓斷路器樣機(jī)、三相調(diào)壓器、三相整流橋、電容電阻、核心數(shù)字信號(hào)處理器DSP28335、功率變換器模塊、信號(hào)采集模塊、IGBT驅(qū)動(dòng)芯片、升壓芯片以及電源模塊等。三相繞組電流通過霍爾傳感器采集電壓信號(hào)之后傳輸?shù)绞静ㄆ魃巷@示。

圖10 新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)

對(duì)新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行合閘操作試驗(yàn)，電容器組的充電電壓為250V、電容器組的容量為132000uf、PWM占空比為90%。圖11所示為斷路器合閘試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果，如圖11中(a)所示，動(dòng)觸頭行程為25mm，B點(diǎn)為剛合點(diǎn)，動(dòng)觸頭運(yùn)行至剛合位置B的時(shí)間是30.45ms。B之前為開距階段，B之后為超距階段，可以看出在超距階段，由于彈簧反力的增大及觸頭接觸碰撞導(dǎo)致行程曲線波動(dòng)。合閘速度是剛合位置之前3/4行程內(nèi)的平均速度，所以合閘速度是1m/s，聯(lián)機(jī)負(fù)載試驗(yàn)比仿真結(jié)果稍有延時(shí)，但合閘操作仍在50ms內(nèi)完成。如圖11中(b)所示合閘操作電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度為63°。

圖11 試驗(yàn)結(jié)果

圖11中(c)為三相繞組電流，合閘峰值電流為152A。試驗(yàn)結(jié)果符合40.5kV高壓斷路器合閘技術(shù)要求，證明了電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可行性。

5 結(jié)論

（1）本文針對(duì)40.5kV高壓真空斷路器進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，通過疊加原理對(duì)其負(fù)載反力特性進(jìn)行了歸算，然后利用三維有限元軟件ANSYS針對(duì)斷路器負(fù)載特性對(duì)新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)進(jìn)行仿真分析。

（2）本文以40.5kV高壓斷路器為研究對(duì)象，搭建新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)平臺(tái)并對(duì)其進(jìn)行聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果測得合閘時(shí)間為50ms，合閘平均速度為1m/s，合閘峰值電流為152A。試驗(yàn)結(jié)果滿足40.5kV高壓斷路器的合閘技術(shù)要求，證明了新型無刷電勵(lì)磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可行性。

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New Brushless Electric Excitation Motor Operating Mechanism Design and Experimental Research

LIU Aimin, LI Bo, YU Hao, YUAN Ye

(School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to simplify the machine structure and improve the working reliability of the operating mechanism, taking the 40.5kV vacuum circuit breaker as the research object, a new type of brushless excitation motor operating mechanism is designed according to its dynamic mechanical characteristics.The load characteristics of the 40.5kV vacuum circuit breaker are analyzed, and the three-dimensional finite element analysis of the new structure motor is carried out by using the load reaction curve of the circuit breaker. On this basis, the hardware platform of the control system of the operating mechanism is built, the prototype of the 40.5kV vacuum circuit breaker and the prototype of the new brushless excitation motor are made, and the operation of the closing test verification is carried out. The simulation and test results meet the closing technical requirements of 40.5kV high voltage vacuum circuit breaker. The feasibility of the new brushless excitation motor operating mechanism is verified.

brushless electric excitation motor; 40.5kV vacuum circuit breaker; new structure motor operating mechanism; three-dimensional finite element; control system; test verification

TM311

B

1000-3983(2018)05-0058-05

2018-06-04

劉愛民（1961-），沈陽工業(yè)大學(xué)，從事智能控制、特種電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究，教授。

國家自然科學(xué)基金（51777131）